本實用新型涉及半導(dǎo)體激光領(lǐng)域，具體涉及一種遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

時代發(fā)展伴隨而來的信息安全問題絡(luò)繹不絕，近二十多年來，人們對混沌保密通信進行了大量的研究。由于混沌信號的非周期性、類噪聲、連續(xù)寬帶頻譜以及對初始條件敏感性等獨特屬性，構(gòu)成了混沌信號天然的隱蔽性，其成為良好的通信載體，據(jù)此混沌信號所攜帶的信息將很難被截獲，從而保證信息的安全保密傳輸。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光混沌由于其高帶寬、高復(fù)雜性以及容易獲得等優(yōu)良特性，近年來成為一個熱門的話題。它的應(yīng)用非常廣泛，在保密通信、雷達、物理隨機數(shù)產(chǎn)生、時域反射技術(shù)，甚至于信息處理等等領(lǐng)域都有涉及。特別要提的是在保密通信領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光混沌具有天然高調(diào)制帶寬以及光纖的長距離低損耗傳輸特性，使得激光混沌保密通信具有了良好的高速信息承載能力和可遠距離傳輸特性，具有重要的研究和應(yīng)用價值?；煦绨雽?dǎo)體激光器之間的同步是實現(xiàn)保密通信和安全密鑰分配的必要條件。

近年來，星型激光器網(wǎng)絡(luò)吸引了不少的關(guān)注，在此網(wǎng)絡(luò)中，多個邊沿節(jié)點激光器與一個中心節(jié)點激光器鏈接，中心節(jié)點激光器通過光反饋產(chǎn)生光混沌信號并輸入到各個邊沿節(jié)點激光器中。星型激光器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的混沌同步啟發(fā)了多注入通信方案和先進的安全密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的提出。Zamora-Munt等人研究了星型激光器網(wǎng)絡(luò)中多個邊沿節(jié)點激光器之間的零延時同步。Bourmpos等人研究了具有不對稱耦合的邊沿節(jié)點激光器和中心節(jié)點激光器的星型網(wǎng)絡(luò)的同步參數(shù)敏感性。而最近，有人從理論上研究了具有不等時間延遲的星型激光網(wǎng)絡(luò)的同步機制。希臘Argyris等人通過實驗實現(xiàn)了星型半導(dǎo)體激光器網(wǎng)絡(luò)中邊沿節(jié)點之間的高質(zhì)量混沌同步。這些研究都可歸類為對于單注入星型半導(dǎo)體激光器網(wǎng)絡(luò)的研究，所謂單注入是中心節(jié)點激光器產(chǎn)生的光混沌通過耦合直接注入相應(yīng)的邊沿節(jié)點激光器。上述所有成果對于星型半導(dǎo)體激光器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實中的應(yīng)用都有重大意義。但 如果考慮到現(xiàn)實情況，邊沿節(jié)點激光器之間的高質(zhì)量同步是需要的，同時邊沿節(jié)點激光器和中心節(jié)點激光器之間的低關(guān)聯(lián)系數(shù)也是需要的。前者為邊沿節(jié)點激光器之間的以安全為導(dǎo)向的應(yīng)用提供了安全保證，后者能確保系統(tǒng)的安全性。對于遠距離半導(dǎo)體激光器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)中心節(jié)點的輸出與邊沿節(jié)點激光器的輸出高度相似時，它們之間的長距離的光纖鏈路為竊聽者提供了一個可行的攻擊途徑。

然而，在大多數(shù)單路光注入星型網(wǎng)絡(luò)中，邊沿節(jié)點激光器和中心節(jié)點激光器之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)都非常高，通常在0.7左右。因此，基于上述考慮，探索一個新方式來減小邊沿節(jié)點激光器和中心節(jié)點激光器之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)是非常有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有單路光注入星型網(wǎng)絡(luò)中的邊沿節(jié)點激光器和中心節(jié)點激光器之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)非常高的問題，本實用新型提出了一種遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)。

本實用新型提出的一種遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)，其特征在于，包括：

中心節(jié)點激光器，其中，所述中心節(jié)點激光器包括第一半導(dǎo)體激光器、光環(huán)形器、第一光耦合器、第一偏振控制器、第一可變衰減器、第一光隔離器、多注入模塊、第四光耦合器、摻鉺光纖放大器及第五光耦合器；

若干邊沿節(jié)點激光器；

其中，所述第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光信號依次經(jīng)過所述環(huán)形器、第一光耦合器、第一偏振控制器、第一光隔離器后注入到所述多注入模塊；所述第一可變衰減器連接于所述第一偏振控制器和所述光環(huán)形器之間以調(diào)節(jié)所述光信號的強度；所述多注入模塊將所述光信號等分成若干份，每一部分光信號流入不等長的光纖分支后合成為一個重組光信號；所述重組光信號經(jīng)過所述第四光耦合器、摻鉺光纖放大器、第五光耦合器后注入到所述多個邊沿節(jié)點激光器中。

進一步的，還包括第二光隔離器，與所述第四光耦合器連接，以將所述重組光信號導(dǎo)出進行混沌信號的測量。

進一步的，所述第二光隔離器通過連接光功率計、光譜分析儀、電子頻譜分析儀及寬帶數(shù)字示波器來進行混沌信號的測量。

進一步的，所述多注入模塊包括第二光耦合器、若干第二偏振控制器及第三 光耦合器；所述光信號經(jīng)過所述第二光耦合器后等分成若干份，每一部分光信號流入不等長的光纖分支后，分別經(jīng)過所述多個第二偏振控制器，經(jīng)過所述第三光耦合器合成為一個重組光信號。

進一步的，所述多個第二偏振控制器的個數(shù)為3。

進一步的，所述邊沿節(jié)點激光器包括第三偏振控制器、第二可變衰減器、第六光耦合器及第二半導(dǎo)體激光器；所述重組光信號經(jīng)過所述第三偏振控制器、第二可變衰減器、第六光耦合器注入到所述第二半導(dǎo)體激光器中。

進一步的，所述第六光耦合器為10:90的光耦合器。

進一步的，所述第一半導(dǎo)體激光器為低噪聲半導(dǎo)體激光器。

進一步的，所述多個邊沿節(jié)點激光器的個數(shù)為2。

進一步的，所述第一光耦合器為50:50的光耦合器。

本實用新型的有益效果為遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)中，通過新的多注入模塊實現(xiàn)從中心節(jié)點激光器到邊沿節(jié)點激光器的多路光混合注入，在長距離情況下，不僅實現(xiàn)了邊沿節(jié)點激光器之間的高同步，同時還使中心節(jié)點激光器和邊沿節(jié)點激光器之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)降低至0.18，在距離上有很好的延展性。并且可以廣泛應(yīng)用于其他的拓?fù)湫途W(wǎng)絡(luò)中，比如網(wǎng)格型、環(huán)型以及其他混合型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，還可以有效支持各種要求高安全的應(yīng)用，如多用戶混沌通信網(wǎng)絡(luò)和安全密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等。

附圖說明

圖1為本實用新型遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)一實施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2為10千米的光纖傳輸距離下各邊沿節(jié)點激光器的光混沌時域波形和頻譜圖。

圖3為遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)的任意邊沿節(jié)點激光器之間的CC_max在不同的注入功率和不同頻率失諧下的演化曲線。

圖4為本實用新型遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)在傳輸距離為80千米的光混沌同步通信的效果圖。

具體實施方式

本實用新型通過新的多注入模塊實現(xiàn)從中心節(jié)點激光器到邊沿節(jié)點激光器 的多路光混合注入，在長距離情況下，不僅實現(xiàn)了邊沿節(jié)點激光器之間的高同步，同時還使中心節(jié)點激光器和邊沿節(jié)點激光器之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)降低至0.18，在距離上有很好的延展性。

圖1為本實用新型遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)1一實施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中，1為遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)，2為中心節(jié)點激光器，3為邊沿節(jié)點激光器，12為第一半導(dǎo)體激光器，14為光環(huán)形器，16為第一光耦合器，18為第一偏振控制器，20為第一可變衰減器，22為第一光隔離器，24為多注入模塊，26為第四光耦合器，28為第二光隔離器，30為摻鉺光纖放大器，32為第五光耦合器，34為第三諧振控制器，36為第二可變衰減器，38為第六光耦合器，40為第二半導(dǎo)體激光器。

請參閱圖1，為本實用新型遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)一實施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在本實施方式中，遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)1包括：中心節(jié)點激光器2和若干邊沿節(jié)點激光器3。中心節(jié)點激光器2包括第一半導(dǎo)體激光器12、光環(huán)形器14、第一光耦合器16、第一偏振控制器18、第一可變衰減器20、第一光隔離器22、多注入模塊24、第四光耦合器26、摻鉺光纖放大器30及第五光耦合器32。

第一半導(dǎo)體激光器12發(fā)出的光信號依次經(jīng)過環(huán)形器14、第一光耦合器16、第一偏振控制器18、第一光隔離器22后注入到多注入模塊24。第一可變衰減器20連接于第一偏振控制器18和光環(huán)形器14之間以調(diào)節(jié)光信號的強度。多注入模塊24將光信號等分成若干份，每一部分光信號流入不等長的光纖分支后合成為一個重組光信號。重組光信號經(jīng)過第四光耦合器26、摻鉺光纖放大器30、第五光耦合器32后注入到多個邊沿節(jié)點激光器3中。

在本實施方式中，遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)1還包括第二光隔離器28，與第四光耦合器26連接，以將重組光信號導(dǎo)出進行混沌信號的測量。在本實施例中，第二光隔離器28通過連接光功率計、光譜分析儀、電子頻譜分析儀及寬帶數(shù)字示波器來進行混沌信號的測量。

多注入模塊24包括第二光耦合器240、若干第二偏振控制器242及第三光耦合器244，光信號經(jīng)過第二光耦合器240后等分成若干份，每一部分光信號流入不等長的光纖分支后，分別經(jīng)過多個第二偏振控制器242，經(jīng)過第三光耦合器 244合成為一個重組光信號。

每一邊沿節(jié)點激光器3包括第三偏振控制器34、第二可變衰減器36、第六光耦合器38及第二半導(dǎo)體激光器40，重組光信號經(jīng)過第三偏振控制器34、第二可變衰減器36、第六光耦合器注入38到第二半導(dǎo)體激光器40中。第六光耦合器38為10:90的光耦合器，第一光耦合器為50:50的光耦合器。

在本實施例中，第一半導(dǎo)體激光器12為低噪聲半導(dǎo)體激光器。進一步的，邊沿節(jié)點激光器3的個數(shù)為2。進一步的，第二偏振控制器242的個數(shù)為3。

在一具體實施例中，每個邊沿節(jié)點激光器3通過幾十千米的單模光纖與中心節(jié)點激光器2相連。在中心節(jié)點激光器2部分，第一半導(dǎo)體激光器12通過一個光信號反饋初步生成混沌種子信號，經(jīng)過多注入模塊24被等分成m份，其中每一部分信號流入不等長的光纖分支，最后在多注入模塊的出口處合成為一個新的重組光信號。作為中心節(jié)點激光器2部分輸出的重組光信號經(jīng)過摻鉺光纖放大器30的放大后在1:n的第五光耦合器32作用下分成n份同時注入n個邊沿節(jié)點激光器3。多注入模塊24是實現(xiàn)邊沿節(jié)點激光器3之間高質(zhì)量同步以及中心節(jié)點激光器2和邊沿節(jié)點激光器3之間顯著低關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵所在。第一可變衰減器20和第一偏振控制器18用來調(diào)節(jié)來自中心節(jié)點激光器2的光的注入強度和偏振水平。第一與第二光隔離器是為了防止不必要的反射干擾。中心節(jié)點激光器2、邊沿節(jié)點激光器3的偏置電流分別被固定為22mA，11.38mA。從中心節(jié)點激光器2到每個邊沿節(jié)點激光器3的注入功率κ初步設(shè)置為170μW，中心節(jié)點激光器2、邊沿節(jié)點激光器3的激光器溫度分別穩(wěn)定在21.02℃，24.68℃。因此，中心節(jié)點激光器和邊沿節(jié)點激光器之間的產(chǎn)生有用的頻率失諧Δf_H-S＝4GHz。

請參閱圖2，為10千米的光纖傳輸距離下各邊沿節(jié)點激光器3的光混沌時域波形和頻譜圖。圖2中包括a1-a3、b1-b3及c1-c3。圖2的a1、b1和c1分別為一邊沿節(jié)點激光器3的時域波形、光譜和射頻譜；圖2的a2、b2和c2分別為另一邊沿節(jié)點激光器3的時域波形、光譜和射頻譜；圖2的a3、b3和c3分別為中心節(jié)點激光器2的時域波形、光譜和射頻譜。首先，從圖2的a1，a2，a3可以看出，邊沿節(jié)點激光器3與邊沿節(jié)點激光器2的時域波形十分相似而它們與中心節(jié)點激光器2的時域波形都有很大的差異。觀察邊沿節(jié)點激光器3與另一邊沿節(jié)點激光器3的頻譜(見圖2的(b1-b3,c1-c3))，可發(fā)現(xiàn)它們的頻譜也極其相 似，而與中心節(jié)點激光器的頻譜相比卻有很大的不同，特別是在低頻部分，中心節(jié)點激光器2的功率(圖2的c3)顯著增強?？紤]到時間域和頻率域的關(guān)系，圖2的c3低頻段的功率增強對應(yīng)了圖2的a3中時域波形的大幅度波動。因此，中心節(jié)點激光器2時域波形與邊沿節(jié)點激光器3時域波形差異很大。這表明多注入星型網(wǎng)絡(luò)中，同時實現(xiàn)了邊沿節(jié)點激光器3之間的高質(zhì)量同步以及中心節(jié)點激光器2與邊沿節(jié)點激光器3之間的低關(guān)聯(lián)。

請參閱圖3，為遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)的任意邊沿節(jié)點激光器3之間的CC_max在不同的注入功率和不同頻率失諧下的演化曲線。從這些曲線可以看出，為了解實現(xiàn)多注入星型網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量混沌同步所需的特定條件，圖3給出了在不同的注入功率κ(左列)和不同頻率失諧Δf_H-S下網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點之間的相關(guān)系數(shù)最大值(CC_max)的演化圖(右列)。第一行是多注入下的演化曲線，第二行是單注入下的演化曲線。方塊表示邊沿節(jié)點激光器3和另一邊沿節(jié)點激光器3之間的CC_max值。菱形表示中心節(jié)點激光器2與邊沿節(jié)點激光器3之間的CC_max；三角形表示中心節(jié)點激光器2與另一邊沿節(jié)點激光器2之間的CC_max。首先，對于多光注入的情況，圖3的a1表明了CC_max伴隨著注入功率的增長而增長。圖3的a1中的I’區(qū)域中，邊沿節(jié)點激光器3與另一邊沿節(jié)點激光器3之間的同步性能大幅提高(20μw<κ<150μw)，而中心節(jié)點激光器2與邊沿節(jié)點激光器3之間的CC_max只是緩慢增長，II’區(qū)域中，邊沿節(jié)點激光器3之間的同步性能超過0.9而中心節(jié)點激光器2與邊沿節(jié)點激光器3之間的CC_max卻小于0.2。此外從圖3的b1中還可以看出，當(dāng)頻率失諧處在-20GHz到20GHz的范圍內(nèi)，中心節(jié)點激光器2與邊沿節(jié)點激光器3之間的CC_max一直處于一個比較低的水平(低于0.2)，而邊沿節(jié)點激光器3之間的同步性能維持在一個大于0.9的高水平(-12GHz<ΔfH-S<5GHz)。相比之下，圖3的a2，b2給出了在與多注入星型網(wǎng)絡(luò)相似的工作條件下，單光注入星型網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的CC_max演化。從圖3的a2，b2可以看出，中心節(jié)點激光器與邊沿節(jié)點激光器之間的CC_max隨著注入功率或頻率失諧的增加迅速增長到0.6，這說明了單光注入星型半導(dǎo)體激光器網(wǎng)絡(luò)中中心節(jié)點激光器2與邊沿節(jié)點激光器3之間的強相關(guān)性?？傊?，在很寬的注入功率和頻率失諧范圍內(nèi)，多注入星型網(wǎng)絡(luò)能夠保持良好的混沌同步，同時實現(xiàn)中心節(jié)點激光器2與邊沿節(jié)點激光器3間的低關(guān)聯(lián)。

請參閱圖4，為本實用新型遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)1在傳輸距離為80千米的光混沌同步通信的效果圖。為了證明多注入星型網(wǎng)絡(luò)長距離傳輸下的穩(wěn)定性進行測試。圖4的a1-a3:分別為邊沿節(jié)點激光器3，另一邊沿節(jié)點激光器3與中心節(jié)點激光器2的時域波形，圖4的b1-b3分別為與邊沿節(jié)點激光器3之間，邊沿節(jié)點激光器3與中心節(jié)點激光器2之間，另一邊沿節(jié)點激光器3與中心節(jié)點激光器2之間的相關(guān)圖。圖4的a1，a2展現(xiàn)了邊沿節(jié)點激光器3與另邊沿節(jié)點激光器3時域波形上的高度一致性。由圖4的b1可以證明CC_max≈0.81，并且中心節(jié)點激光器2的時域波形圖(圖4的a3)與邊沿節(jié)點激光器3的時域波形圖有很大的區(qū)別。相應(yīng)地，中心節(jié)點激光器2與邊沿節(jié)點激光器3之間的CC_max值明顯很低(分別為0.16,0.18)如果考慮到超過100千米的長距離傳輸，光纖非線性和色散等因素的累積會扭曲信號，對混沌通信的同步性能造成一定程度的影響。因此引入各種先進的色散補償裝置，例如：色散補償光纖(DCF)，光纖光柵(FBG)等，使實現(xiàn)傳輸距離大于100千米的多注入星型網(wǎng)絡(luò)成為了可能。

本實用新型的遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)1的具體實施，可能涉及到使用軟件，但所使用的軟件均是本領(lǐng)域技術(shù)人員最常用的軟件，并且，并非本專利申請權(quán)利要求所要保護的范圍。

本實用新型的有益效果為遠程星型激光網(wǎng)絡(luò)的光混沌同步系統(tǒng)1中，通過新的多注入模塊24實現(xiàn)從中心節(jié)點激光器2到邊沿節(jié)點激光器3的多路光混合注入，在長距離情況下，不僅實現(xiàn)了邊沿節(jié)點激光器3之間的高同步，同時還使中心節(jié)點激光器2和邊沿節(jié)點激光器3之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)降低至0.18，在距離上有很好的延展性。并且可以廣泛應(yīng)用于其他的拓?fù)湫途W(wǎng)絡(luò)中，比如網(wǎng)格型、環(huán)型以及其他混合型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，還可以有效支持各種要求高安全的應(yīng)用，如多用戶混沌通信網(wǎng)絡(luò)和安全密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等。

以上僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。